우주복 없이 우주에 나가면 몸은 어떻게 될까

정말 몸이 터질까요?

영화에서는 에어록이 열리면 밖에 남은 사람이 몇 초 만에 부풀어 오르거나, 꽁꽁 얼거나, 터져 버립니다. 기록에 남은 실제 모습은 훨씬 조용합니다. 1965년 휴스턴의 NASA 유인우주선센터에서 한 시험 대상자가 진공실 안에 있다가 우주복이 샜습니다. 그는 약 14초 동안 의식이 있었고, 마지막으로 기억한 것은 혀 위의 물이 끓기 시작하는 느낌이었습니다. 진공실에 다시 기압을 넣었고 그는 회복했습니다.

이 전시는 그런 노출이 일어난 뒤 처음 120초를 인체 도식 위에서 1초씩 따라갑니다. 모형에는 얼굴이 없고 피부를 투명하게 그려서 중요한 부위가 보입니다. 폐, 기도, 혀, 뇌, 심장, 혈관, 위와 장, 그리고 피부 아래 조직입니다. 고도 슬라이더로 같은 2분을 더 낮은 곳에서도 해 볼 수 있습니다. 여객기 객실, 에베레스트 꼭대기, 그리고 체액이 끓기 시작하는 암스트롱 한계까지 고를 수 있습니다.

이 전시는 NASA, 미국 공군, 미국 연방항공청(FAA)의 보고서를 바탕으로 물리와 생리를 일반적으로 설명합니다. 의료 조언이 아니며, 어떤 사람이 얼마나 버틸지 알려 주는 안내도 아닙니다.

2분 동안 일어나는 일

무대는 해수면 공기를 마시는 사람에서 시작합니다. 기압 101.325 kPa, 산소 21 %로 국제우주정거장이 유지하는 공기와 같습니다. 그러다 바깥 기압이 순식간에 고른 고도의 기압으로 떨어집니다. 거의 진공이라면 보고서에 적힌 순서는 대략 이렇습니다.

1. 0~1초: 폐 속 공기가 열린 기도로 쏟아져 나갑니다. 숨을 참고 있었다면 대신 폐가 부풀어 늘어납니다.
2. 1~5초: 침, 눈물처럼 겉에 있는 물이 끓기 시작합니다. 입과 코의 점막이 식기 시작합니다.
3. 약 9~11초: 정신을 차리고 움직일 수 있는 시간이 끝납니다. 뇌로 가는 피가 빈 폐에 산소를 빼앗겼기 때문입니다.
4. 5~45초: 피부 아래 조직과 정맥에서 수증기가 생깁니다. 몸과 팔다리가 붓고, 부피가 평소의 두 배까지 될 수 있습니다.
5. 약 60초 안: 정맥 압력이 올라 동맥 압력과 같아지고 피가 돌지 않습니다. 심장은 크게 느려집니다.
6. 약 90초: NASA가 계획에 쓰는 한계입니다. 이보다 먼저 다시 기압을 받은 동물은 대개 회복했습니다.

모형 아래 시간 막대는 고른 고도에 맞춰 이 사건들을 표시하고, 15초마다 눈금이 있습니다. 해수면에서는 아무것도 표시되지 않고, 여객기 순항 고도에서는 산소가 모자라는 구간만 나타납니다.

숨은 참지 말고 내쉽니다

처음 1초에 할 수 있는 가장 위험한 일은 숨을 크게 들이쉬고 참는 것입니다. 가득 찬 폐에 갇힌 공기는 압력을 그대로 지니는데, 바깥 압력은 거의 없어집니다. 폐의 벽은 얇아서 혼자서는 큰 압력 차이를 견디지 못합니다.

NASA가 낸 항공우주 환경에 대한 인체 반응 자료집(Roth, 1968)은 그 한계를 폐 안팎 차이 약 80 mmHg(10.7 kPa)로 봅니다. 실험과 사람의 사고에서 이 값을 넘으면 폐 조직이 찢어졌습니다.

10.7 kPa는 얼마나 작은 차이일까요? 해수면과 고도 928 m 사이의 기압 차이 정도입니다. 스쿠버 다이버도 같은 이유로 같은 규칙을 배웁니다. 올라오는 동안 숨을 참지 말라는 규칙입니다. 조작 탭에서 숨 참기를 켜면 무대의 폐가 부풀고 붉게 깜빡이며, 숫자판에 폐 안팎의 압력 차이가 나옵니다. 진공에서는 100 kPa가 넘어, 찢어지는 값의 열 배입니다.

기도가 열려 있으면 공기는 그냥 빠져나갑니다. 무대에서는 처음 1초 동안 입과 코에서 공기가 한꺼번에 나오고 폐가 조금 줄어듭니다. 공기가 빠지는 것 자체는 해롭지 않습니다. 뒤이어 생기는 문제는 폐가 터지는 일이 아니라 산소입니다.

같은 법칙, 보일의 법칙이 몸속 다른 기체 주머니에도 적용됩니다. 온도가 같으면 기체의 부피와 압력을 곱한 값은 변하지 않습니다. 그래서 아무것도 붙잡지 않는다면 해수면의 기체는 에베레스트에서 3.2배, 암스트롱 한계에서 16배로 커집니다. 가운데귀, 부비동, 위와 장에는 기체가 조금씩 있습니다. 대부분은 빠져나갈 길을 찾거나 둘레 조직이 붙잡습니다. 아플 수는 있지만 생사를 가르는 일은 아닙니다.

침은 끓는데 피는 끓지 않는 이유

물은 증기압이 위에서 누르는 압력과 같아질 때 끓습니다. 증기압은 액체에서 빠져나가려는 분자들이 미는 압력입니다. 해수면에서는 100 °C입니다. 기압을 낮추면 더 낮은 온도에서 끓고, 그래서 높은 산에서는 면이 잘 익지 않습니다.

6.3 kPa(47 mmHg)에서 물은 체온인 37 °C에 끓습니다. 이 기압을 암스트롱 한계라고 부릅니다. 표준 대기에서는 고도 약 19 km, 63,000 ft에 해당합니다. 그보다 높은 곳에서는 몸 겉의 물이 열을 더하지 않아도 끓습니다. 1965년의 시험 대상자가 혀에서 느낀 것이 이것입니다.

동맥 속 피는 사정이 다릅니다. 바깥과 맞닿아 있지 않고, 심장이 바깥 공기보다 훨씬 높은 압력으로 밀어내며, 혈관 벽과 둘레 조직이 그 압력을 붙잡아 둡니다. 그래서 동맥 피는 바로 끓지 않습니다. 대신 압력이 가장 낮은 곳에서 더 천천히 일이 벌어집니다. 피부 아래 조직과, 심장 가까이의 큰 정맥입니다.

끓는점을 직접 계산하기

무대는 끓는점을 앙투안 식으로 계산합니다. 실제로 잰 증기압에 맞춘 식입니다.

log10(P / bar) = A − B / (T + C)

여기서 T는 켈빈 온도이고 A, B, C는 NIST 화학 웹북에 실린 물의 상수입니다. 모형은 255.9373 K 범위의 NIST 자료 네 묶음을 씁니다. 체온이면 T = 310.15 K이고, 304333 K 묶음의 A = 5.20389, B = 1733.926, C = −39.485를 넣습니다.

log10(P) = 5.20389 − 1733.926 / (310.15 − 39.485) = 5.20389 − 6.40616 = −1.20227

따라서 P = 0.0628 bar = 6.28 kPa이고, 이것이 암스트롱 한계입니다. 어떤 기압에서의 끓는점은 같은 식을 뒤집어 T = B / (A − log10 P) − C로 구합니다.

고도별 기압은 1976년 미국 표준 대기에서 가져옵니다. 표준 대기는 공기를 기온 변화가 정해진 여러 층으로 나눕니다. 11 km까지는 1 km 오를 때마다 6.5 K씩 내려가고, 11~20 km에서는 −56.5 °C로 일정합니다. 둘을 합치면 숫자판에 나오는 끓는점이 됩니다.

물의 삼중점인 0.61 kPa보다 낮으면 물은 어떤 온도에서도 액체로 있을 수 없습니다. 끓는 동시에 얼고, 숫자판도 그렇게 표시합니다. 숫자판 안의 작은 그래프는 로그 눈금 위에 곡선 전체와 체온 선을 그리고, 고른 기압을 주황색 점으로 보여 줍니다.

산소는 약 10초 분량

보통 폐는 피에 산소를 넣어 줍니다. 진공에서는 거꾸로입니다. 폐에 산소가 없으니 피가 폐를 지나면서 산소를 잃고, 몇 초 뒤 뇌에 닿는 피에는 몸을 떠날 때보다도 산소가 적습니다. 뇌는 몇 초 분량의 산소밖에 저장하지 못합니다.

NASA의 생물우주공학 자료집(1973)은 어느 정도의 의식이 911초 이어질 것으로 보고, 갑자기 노출된 사람에게 스스로를 도울 시간은 아마 510초를 넘지 않을 것이라고 적었습니다. 2 mmHg 아래로 감압한 개는 9~10초 뒤에 쓰러졌습니다. 1965년 시험 대상자의 14초도 이와 맞습니다. 그의 우주복 안은 아마 완전한 진공까지 가지 않았습니다.

더 낮은 고도에서는 시간이 더 있습니다. FAA는 이를 「쓸 수 있는 의식 시간」으로 발표합니다. 기절하기까지의 시간이 아니라 조종사가 제대로 판단하고 움직일 수 있는 시간입니다.

무대는 기압이 갑자기 떨어지는 상황이라 급감압 쪽 값을 쓰고, 암스트롱 한계부터는 거의 진공에서의 9~11초를 씁니다. 표의 줄 사이는 매끄러운 곡선으로 잇습니다. 시간 막대의 주황색 띠가 이 범위이고, 띠가 시작되면 의식 줄이 빨갛게 바뀝니다.

터지지 않고 붓습니다

암스트롱 한계보다 낮은 기압에서는 몸 조직 속 물이 수증기로 바뀌기 시작합니다. 이를 체액 비등이라고 합니다. 붙잡는 압력이 가장 약한 피부 아래의 성긴 조직과 큰 정맥의 피에서 먼저 시작합니다. 생물우주공학 자료집은 여압복이 붙잡아 주지 않으면 몸이 크게 붓고, 부피가 평소의 두 배쯤까지 될 수 있다고 적었습니다.

몸은 터지지 않습니다. 피부는 질기고 탄력이 있어 수증기를 아래에 붙잡아 둡니다. 개 실험에서는 기압이 약 50 mmHg를 넘자마자 부기가 눈에 띄게 빠졌습니다. 자료집에는 몸에 잘 맞춘 탄력 옷이 15 mmHg처럼 낮은 기압에서도 체액 비등을 완전히 막았다는 보고도 있습니다. 평범하게 꼭 끼는 옷도 조금은 눌러 줍니다.

무대에서는 피부가 표면을 따라 바깥으로 밀려나는데, 팔다리와 손발이 가장 많이 움직입니다. 그 아래 조직 층은 덜 움직여서 두 층 사이의 틈이 바로 부기입니다. 피부 단면을 켜면 그 틈이 보이고, 기포를 켜면 수증기가 작은 구로 나타납니다. 손을 따로 나눈 데는 실제 사례가 있습니다. 1960년 조 키팅어는 지붕 없는 기구 곤돌라를 타고 102,800 ft까지 올라갔습니다. 올라가는 동안 오른손 여압 장갑이 고장 나 손이 붓고 아파서 쓸 수 없었습니다. 그는 그대로 뛰어내렸고, 낮은 고도로 돌아오자 손은 원래대로 돌아왔습니다.

혈액순환이 멈출 때

노출이 길어지면 목숨을 앗는 것은 큰 정맥에 생기는 수증기입니다. Roth의 자료집은 큰 정맥이 심장으로 들어가는 곳에서 거품이 생겨 정맥을 따라 거슬러 퍼진다고 설명합니다. 이 「혈관 증기 막힘」 때문에 피가 심장으로 돌아오지 못하고, 심장은 내보낼 피가 없어집니다.

자료집이 적은 시간은 이렇습니다. 심장 박동은 처음에 빨라졌다가 빠르게 느려지고, 동맥 압력은 30~60초에 걸쳐 떨어지며, 정맥 압력은 약 1분 안에 동맥 압력과 같아지거나 넘어섭니다. 그 뒤로는 피가 사실상 돌지 않습니다. 2 mmHg에 90초 동안 둔 개의 심장 박동은 정상인 분당 159회에서 10회까지 떨어졌습니다.

모형은 처음 5초 동안 박동이 빨라졌다가 느려지고, 5~60초 사이에 순환이 줄어드는 것으로 그립니다. 이 곡선은 보고된 시간을 매끄럽게 이은 선이지 사람을 잰 값이 아닙니다.

얼마나 버틸 수 있을까

사람을 일부러 시험한 적은 없어서 숫자는 동물 실험과 사고에서 나옵니다. 1964년 미국 공군 항공우주의학교에서 개 126마리를 2 mmHg 아래로 5180초 동안 감압했습니다. 120초보다 짧게 노출된 개는 폐 손상의 흔적이 있었지만 다시 기압을 받은 뒤 모두 살아남았습니다. 120180초 노출에서는 사망률이 약 15 %에서 80 % 넘게까지 올라갔습니다. 1965년 NASA를 위해 시험한 침팬지는 2 mmHg 아래에 5~150초 머물렀고, 모두 네 시간 안에 훈련받은 과제를 다시 해냈으며 검사에서 뇌 손상은 나오지 않았습니다.

NASA 자료집은 이 연구들을 바탕으로 60~90초 안에 다시 가압하면 살 수 있고 꽤 빨리 회복할 수도 있다고 봅니다. 다만 보장은 없습니다. 몇 초 만에 죽은 동물도 있고, 오래 남는 손상을 입은 동물도 있었습니다. Roth의 자료집은 비상 절차를 세울 때 최대 생존 시간을 90초로 잡으라고 권합니다. 무대의 지금 기압이 돌아오면 줄은 이 구간을 따릅니다. 동물에서 관찰된 결과를 말할 뿐, 어떤 사람에 대한 예측이 아닙니다.

완전한 진공에서 끝까지 이어진 실제 사례는 소유즈 11호 하나입니다. 1971년 6월, 대기권보다 높은 곳에서 귀환 모듈이 분리될 때 충격으로 압력 조절 밸브가 열렸습니다. 선실 공기는 1분이 안 되어 빠져나갔습니다. 여압복을 입지 않았던 우주인 세 명은 정신을 잃었고 2분 안에 숨졌습니다. 캡슐은 자동으로 착륙했고, 구조대는 자리에 앉은 그대로의 세 사람을 발견했습니다.

우주는 바로 얼어붙는 곳이 아닙니다

진공에는 공기가 없어서 전도나 대류로 열을 실어 갈 것이 없습니다. 남는 길은 따뜻한 물체가 내는 적외선, 복사뿐입니다. 피부 온도 33 °C, 방사율 0.97, 우주를 향한 피부 넓이 약 1.5 m²로 슈테판-볼츠만 법칙에 넣으면 이렇습니다.

P = 0.97 × 5.67 × 10⁻⁸ × 1.5 × 306.15⁴ ≈ 725 W

70 kg인 몸은 1도에 약 243 kJ를 품습니다. 725 W로 잃으면 심부 체온은 2분 동안 약 0.36 °C 내려갑니다. 이 방식으로 1도를 잃으려면 5분이 넘게 걸립니다. 우주의 그늘에 2분 있다고 해서 얼어붙지는 않습니다.

차가워지는 곳은 입과 코입니다. 기도에서 물이 계속 증발하고, 증발은 열을 함께 가져갑니다. 자료집은 이 때문에 입과 코가 어는 온도 가까이 식는 반면 몸의 나머지는 훨씬 천천히 식는다고 적었습니다. 입과 코 줄이 그 변화를 보여 줍니다.

햇빛은 이 균형을 바꿉니다. 지구 거리에서 태양은 1 m²에 1,361 W를 보냅니다. 몸의 0.5 m²가 햇빛을 받고 그중 60 %를 흡수하면 약 408 W가 들어오고, 잃는 열은 약 316 W로 줄어듭니다. 햇빛을 끄면 심부 체온이 조금 더 빨리 내려갑니다.

여압복이 바꾸는 것

우주복은 대부분 몸에 압력을 유지해 주는 풍선입니다. 해수면 기압까지 필요하지는 않습니다. 기체가 순수한 산소라면 전체 압력이 훨씬 낮아도 폐에 산소가 충분히 들어갑니다. NASA는 아폴로 우주복 25.8 kPa, 우주정거장 우주복 29.6 kPa(4.3 psi), 러시아 오를란 39.2 kPa로 적었고, 모두 산소 100 %입니다. 암스트롱 한계보다 훨씬 높으니 체액은 끓지 않습니다. 4.3 psi는 고도 30,000 ft 비행기 바깥의 기압과도 비슷합니다.

우주복 압력이 낮으면 특히 장갑을 구부리기 쉬워지지만 다른 문제가 생깁니다. 101 kPa인 정거장 공기에서 29.6 kPa인 우주복으로 옮기면 몸에 녹아 있던 질소가 거품이 됩니다. 다이버가 겪는 감압병과 같습니다. 그래서 우주비행사는 먼저 순수한 산소를 마셔 질소를 몸 밖으로 빼냅니다. 정거장의 한 절차는 첫 산소 호흡부터 우주 유영까지 2시간 20분이 걸립니다.

여압복을 켜면 시간 막대 전체가 조용해집니다. 붓지 않고, 끓지 않고, 폐와 산소도 정상입니다.

우주보다 낮은 곳에서

이런 일 가운데 몇 가지는 우주에 가지 않아도 만날 수 있습니다. 고도 슬라이더와 시간 막대 위의 버튼으로 같은 2분을 다른 곳에서 해 볼 수 있습니다.

• 여객기 객실: 미국 규정상 여압 객실은 보통 비행에서 기압 고도 8,000 ft 이하를 지켜야 합니다. 약 75 kPa이고, 시간 막대에는 아무 일도 일어나지 않습니다.
• 에베레스트: 표준 대기로 약 31 kPa입니다. 물은 약 70 °C에 끓지만 몸속에서 끓는 것은 없고, 쓸 수 있는 의식 시간도 여러 분이라 2분 안에는 아무것도 표시되지 않습니다. 등반가는 그래도 몇 시간, 며칠에 걸쳐 산소 부족에 시달립니다.
• 순항 중인 여객기: 35,000 ft에서 객실 기압이 갑자기 빠지면 쓸 수 있는 의식 시간은 15~30초입니다. 그래서 산소마스크가 떨어집니다. 미국 규정은 12,500 ft 위에서 30분 넘게 날면 승무원에게, 15,000 ft 위에서는 탑승자 모두에게 산소를 갖추게 합니다.
• 암스트롱 한계: 약 19 km입니다. 이보다 높으면 잠깐이라도 여압복이 필요합니다.

이를 무시했을 때의 대가는 1999년 등록번호 N47BA인 리어젯 35의 사고가 보여 줍니다. 고도 39,000 ft 상승 허가를 받은 뒤 교신이 끊겼습니다. 미국 교통안전위원회(NTSB)는 객실 기압이 빠진 뒤 승무원이 보조 산소를 받지 못해 정신을 잃었다고 결론지었습니다. 비행기는 연료가 떨어질 때까지 날다가 사우스다코타에 추락했습니다.

직접 골라 보는 사례

무대 아래 목록에는 사례 33개가 있습니다. 모형에서 보기를 누르면 모형이 그 사례의 기압과 시간으로 바뀌고, 초 단위 시간이 있는 카드에는 모두 같은 0~150초 눈금의 막대가 있어 서로 견줄 수 있습니다. 다섯 갈래로 나눴습니다.

• 사고: 1965년 진공실 시험, 키팅어의 손, 소유즈 11호, 1999년의 리어젯.
• 실험: 개와 침팬지 연구, 폐의 80 mmHg 한계, 탄력 옷, 90초 안의 재가압.
• 규정: FAA의 쓸 수 있는 의식 시간, 산소와 객실 규정, 우주복 압력과 사전 산소 호흡.
• 높이: 에베레스트, 암스트롱 한계, 기록적인 기구 낙하, 화성 표면, 걸러지지 않은 햇빛.
• 영화: 기록과 대체로 맞는 장면과 맞지 않는 장면을 각각 기록과 견줍니다.

화성 표면은 견줘 보기 좋은 예입니다. 평균 기압이 6.36 mbar(0.64 kPa)로 지구 대기의 고도 약 35 km와 비슷합니다. 보호 장비 없는 몸에는 진공과 거의 같아서, 화성용 우주복도 완전한 여압복이어야 합니다.

모형에서 단순하게 한 것

• 모형은 사람이 아니라 도식입니다. 몸은 매끄러운 캡슐을 이어 만들었고, 장기는 대략 맞는 자리에 놓은 단순한 모양입니다.
• 동맥은 산소가 줄면 빨강에서 보라로 바뀌게, 정맥은 늘 파랑으로 그렸습니다. 실제로 산소가 적은 피는 검붉은색입니다.
• 산소, 심장 박동, 순환, 부기, 입 온도의 곡선은 보고된 시간을 매끄럽게 이은 선입니다. 무대에도 모형 값이라고 적어 두었습니다.
• 해수면 기압에서 갑자기 떨어지는 상황을 가정합니다. 천천히 새면 시간이 더 있고, 미리 순수한 산소를 마신 사람은 질소를 뺀 개들처럼 몇 초를 더 벌 수 있습니다.
• 사람마다 다릅니다. FAA는 쓸 수 있는 의식 시간이 폐의 크기, 헤모글로빈, 몸이 쓰는 산소량에 따라 크게 달라진다고 적었습니다.
• 고도는 1976년 표준 대기의 기하학적 높이입니다. 실제 어느 장소의 기압은 날씨, 계절, 위도에 따라서도 바뀝니다.
• 열 계산은 복사만 넣었습니다. 피부와 기도의 증발은 겉을 더 빨리 식힙니다.

짧은 역사

여압복은 우주비행보다 먼저 높은 고도의 비행에서 나왔습니다. 1960년 조 키팅어가 지붕 없는 곤돌라로 102,800 ft까지 오른 비행은 여압복 시험이기도 했고, 기압이 빠진 그의 손은 여압복이 없으면 어떻게 되는지를 보여 준 가장 잘 알려진 예가 되었습니다.

1960년대 초 우주선과 큰 진공실을 만들면서 NASA 유인우주선센터는 우주복이 고장 나면 어떻게 되는지 알아보려고 동물 연구를 맡겼습니다. Bancroft와 Dunn은 1963년과 1964년에 개 126마리를 감압했고, 홀로먼 공군기지의 Koestler 연구진은 침팬지를 시험해 1965년 11월에 보고했습니다. 그 결과가 생물우주공학 자료집과 Roth의 자료집에 실렸고, 지금도 인용되는 숫자가 되었습니다. 쓸 수 있는 의식은 약 10초, 구조 계획은 약 90초입니다.

그 뒤 사람에게 일어난 사례는 1965년 진공실 시험처럼 대부분 잘 끝난 사고였습니다. 1971년의 소유즈 11호는 지금까지 우주 공간 자체에서 사람이 숨진 유일한 사고로 남아 있습니다.